» » Влияние параметров, характеризующих состояние материала вследствие релаксации напряжений
05.01.2015

Если обратиться к формуле (I.45), то легко усмотреть, что единственными константами, характеризующими склонность материала к формоизменению, являются коэффициент термического расширения α0 и энергия активации Q. Это, конечно, имеет место лишь в линейном приближении и только при простейших предположениях, заложенных в основу расчета (I.45). Однако и при более строгом рассуждении из всего многообразия свойств на первом плане остаются в основном тепловое расширение α0, предел текучести σТ и температурный коэффициент предела текучести ϗσТ1. Тепловое расширение и температурный коэффициент предела текучести слабо зависят от состояния материала, если оно равновесное. По существу, имеется лишь один структурно чувствительный параметр — абсолютное значение предела текучести. Ho и здесь более вероятно, что коэффициент роста будет вяло на него реагировать. Дело в том, что при «жестких» режимах термического цикла, которые чаще всего встречаются в экспериментах, условные термоупругие напряжения столь высоки, что изменение уровня предела текучести становится безразличным.
Приведенные ниже примеры показывают, что величина зерна и текстура действительно почти не оказывают влияния на коэффициент роста.
Влияние текстуры. А. А. Бочвар и А. А. Зуйкова и А. А. Зуйкова, изучавшие формоизменение β-латуни, отмечают слабое влияние текстуры основы на коэффициент роста. Во всяком случае не обнаруживается резкой разницы в поведении литых и катаных пластин, а также образцов, вырезанных под различными углами к направлению прокатки. Например, по данным работы, плоские образцы β-латуни (100x25x5 мм3), вырезанные вдоль, поперек и под углом 45° к направлению прокатки (обжатие 8% при 700° С), деформируются практически одинаково. На фиг. 105 показаны соответствующие экспериментальные кривые. Они относятся к пластинам, испытавшим циклическое воздействие от 20 до 600° С по режиму: нагрев на воздухе в течение 8,5 мин. — охлаждение в воде. Легко видеть, что для всех образцов изменение длины составило примерно одинаковую величину: около 14% за 100 теплосмен.
Влияние параметров, характеризующих состояние материала вследствие релаксации напряжений

Аналогичные наблюдения были сделаны нами на α-латуни и никеле, а авторами работ — на алюминии. Однако в работе имеются сведения и о том, что алюминиевые цилиндры заметно реагируют на степень предварительной пластической деформации, если они подвергаются теплосменам в узком интервале температур (едва достаточном для начала формоизменения). На фиг. 106 показано, как коэффициент роста алюминия зависит от степени обжатия при прокатке, когда циклическое температурное воздействие осуществляется путем медленных нагревов на воздухе до 360° С и последующих охлаждений в воде до 10°С. Легко заметить, что максимум эффекта приходится примерно на 50% обжатия. Поскольку после прокатки все образцы тщательно отжигались и имели одинаковое зерно, то фиг. 106 свидетельствует и о некотором влиянии степени текстуры.
Очень сходные данные были приведены в одном из докладов А. А. Бочвара; по его словам, максимум формоизменения алюминия также соответствует предварительной деформации в 50%.
Влияние параметров, характеризующих состояние материала вследствие релаксации напряжений

Недавно появилась работа В. И. Просвирина, согласно которой с увеличением степени предварительной пластической деформации коэффициент роста алюминия, возрастает, а потом постепенно снижается. Правда, максимальный эффект наблюдается у образцов, испытавших деформацию только около 5%. На фиг. 107 приведены экспериментальные кривые. Они относятся к предварительно отлитым, а затем прокатанным пластинкам размером 30х10х2 мм3.
Было также замечено некоторое качественное различие в формоизменении алюминиевых прутков, прокатанных в одну сторону и с реверсивным режимом. Реверсирование способствовало исчезновению второго участка на кривых «коэффициент роста—число циклов».
Влияние параметров, характеризующих состояние материала вследствие релаксации напряжений

Трудно указать механизм, с помощью которого текстура оказывает влияние на коэффициент роста. Вероятно, он не исчерпывается изменением предела текучести. По мнению В. И. Просвирина, причина, заключается в «закатывании» дефектов литья. Если бы экспериментальных данных было больше, а сам эффект проявлялся сильнее и лучше воспроизводился, то быть может и удалось бы сделать выбор между различными точками зрения. Сейчас же приходится лишь констатировать, что в явлении роста при теплосменах текстура имеет второстепенное значение.
Влияние величины зерна. Почти нет исследований, в которых изучалось бы влияние величины зерна на коэффициент роста. На это имеются лишь некоторые указания в работах по алюминию и α-и β-латуням.
В общем замечено, что размер зерна практически не сказывается на формоизменении, когда теплосмены производятся в широком температурном интервале. Например у α-латуни увеличение среднего размера зерна в 17 раз совершенно не изменяет деформацию за цикл при нагревах до 500° С и охлаждениях в воде. Десятикратное укрупнение зерна в β-латуни также не имеет значения. Интересно, что коэффициент роста у α- и β-латуней в общем сохраняется не только после предварительного выращивания зерна, но часто и в том случае, когда последнее растет в процессе самих теплосмен.
Алюминий при нагревах в воздухе до 400° С и быстрых охлаждениях в холодной воде весьма инертен в отношении изменения размера исходного зерна. Так, по данным работ, увеличение размера зерна с 0,048 до 0,59 мм заметно не сказывается на коэффициенте роста по крайней мере в пределах до 450 теплосмен. Соответствующие опытные данные представлены на фиг. 108.
Даже монокристаллы ведут себя подобным образом (образцы диаметром 3 мм). Так если у поликристалла с зерном 0,048 мм коэффициент роста на третьем участке был равен 1,3*10в-5 1/цикл, то у монокристалла он составлял около 1,8*10в-5 1/цикл. Это хорошо видно из фиг. 109. Общая деформация за любое данное число теплосмен, правда, больше у монокристалла, что, по-видимому, связано с его особо низким пределом текучести.
Влияние параметров, характеризующих состояние материала вследствие релаксации напряжений

Уровень предела текучести, как известно, снижается с переходом к крупнозернистому материалу, поэтому есть основания ожидать, что при сравнительно спокойных теплосменах или малых интервалах температур, когда критерий текучести едва выполняется, коэффициент роста станет тем больше, чем ниже предел текучести, т. е. чем крупнее зерно. Это рассуждение прекрасно подтверждается опытными данными, полученными в работах.
Циклическое термическое воздействие, состоящее в нагревах в селитре до 400° С и последующих охлаждениях на воздухе до комнатной температуры, приводит к большему укорочению крупнозернистых алюминиевых цилиндров (⌀ 6 мм) по сравнению с мелкозернистыми. В первые две-три сотни циклов коэффициент роста у образца с размером зерна 0,61 мм составляет около — 1,15*10в-5 1/цикл, а у образца с зерном 0,035 мм — только — 0,2*10в-5 1/цикл. На фиг. 110 показано, как формоизменение алюминия зависит от велины зерна при различном числе теплосмен, а на фиг. 111, построенной по данным фиг. 110, приведена соответствующая зависимость коэффициента роста на базе первых двухсот циклов. Легко видеть, что с хорошим приближением он увеличивается линейно с диаметром зерна.
Влияние параметров, характеризующих состояние материала вследствие релаксации напряжений
Влияние параметров, характеризующих состояние материала вследствие релаксации напряжений

При количестве термических воздействий, большем нескольких сот циклов, кривые на фиг. 110 имеют очень своеобразный вид. Только у мелкозернистых цилиндров коэффициент роста оказывается сравнительно постоянным. У образцов с крупным зерном он, как правило, изменяется. Трудно понять все тонкости хода кривых на фиг. 110; однако представляется естественным, что величина зерна потому так своеобразно влияет на коэффициент роста, что при значительном числе теплосмен происходит неизбежное разрушение от термической усталости, а это рано или поздно вызывает появление последнего, четвертого участка (см. кривую на фиг. 110, относящуюся к зерну 0,61 мм). Сказать что-либо более обстоятельное трудно хотя бы потому, что основные закономерности роста, связанного с температурными градиентами, изучены в пределах только третьего участка, когда и сами законы проще, и число теплосмен невелико.